“數字電路”課程專題式教學體系研究*

沈諒平（湖北大學物理學與電子科學學院，湖北武漢430062）

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“數字電路”課程專題式教學體系研究*

沈諒平
（湖北大學物理學與電子科學學院，湖北武漢430062）

摘要：“數字電路”課程是電子類及相關專業的核心基礎課程之一，該課程在電子類及相關專業的課程體系中具有重要的承前啟后作用。“數字電路”課程具有很強的實踐性，傳統的灌輸式教學嚴重影響了學生的積極性和主動性。本文構建以學生的自主學習為主線的專題式“數字電路”課程教學體系，并建立了針對“數字電路”課程的專題式教學組織形式，從而充分發揮學生在學習過程的主觀能動性和思維創新性，并最終提高學習效果和教學質量。

關鍵詞：數字電路；專題式；教學體系

引言

“數字電路”課程是電子類及相關專業的核心基礎課程之一，它包括數字電子系統中的基本邏輯理論、基本邏輯電路、基本邏輯電路分析設計方法以及數字信號和模擬信號之間的相互轉換原理等。電子類及相關專業的學生只有通過對“數字電路”課程系統地學習才能對“數字電路”系統建立初步的概念，并為綜合電子線路、微機原理和EDA等后續課程提供重要的理論和實踐基礎。因此，“數字電路”課程在電子類專業及相關專業的課程體系中具有重要的承前啟后作用。

目前，國內高校的“數字電路”課程教學包括課堂教學和實驗教學兩部分。其中課堂教學一般為48學時，實驗教學為16學時，課堂教學和實驗教學以分開授課的方式進行。在課堂教學的過程，教師自始至終為主導者，從前至后講授課程包含的全部內容。首先，這種傳統灌輸式的教學方式不能充分調動學生的主觀能動性，使得學生對知識的索取完全處于被動狀態，長此以往，導致學生的學習興趣低下、思維活躍性差、依賴性強；其次，這種循序漸進的教學模式往往忽略了知識之間的內在聯系，導致學生在學習的過程中囫圇吞棗，從而使得學生對知識缺乏系統整體性認識，往往抓不住重點。最后，實驗和理論課程分開進行，容易導致理論和實踐脫節，從而導致實驗課程對學生實踐動手能力的培養達不到預期效果。

然而，隨著現代教育教學技術的不斷發展，國外大部分高校已經不再采用這種傳統的教學模式，它們在大部分的課程教學過程中，均采用專題式教學方法。在專題式教學過程中，老師將講授課程按專題進行，老師講授、學生自我學習和師生互動的時間比例約為1:1:1。在國內，許多文科類課程［1，2］和少了理工累科課程［3，4］已經開始了專題教學模式的探索，并取得了良好的教學效果。因此，為了進一步提高“數字電路”課程的教學質量和教學效果，本文從“數字電路”課程的教學改革探索出發，構建專題式“數字電路”教學體系，并在此基礎上對課程的組織和教學進行設計。

一、專題式教學體系的構建

“數字電路”課程基本上涵蓋了復雜數字系統中的邏輯運算理論和基本單元電路模塊。構建一個復雜的數字系統就如同建設一幢高樓大廈一樣，它需要添磚加瓦。因此，為了進一步明確該課程所要講授的內容，本文以功能不同的單元數字邏輯電路為出發點，以構建復雜數字系統為宗旨，將“數字電路”的主要教學內容進行了專題化，構建了如圖1所示的七個專題。

圖1　專題和學時構成

專題一為邏輯函數及其電路實現。在傳統的“數字電路”教學中，邏輯函數及其基本理論主要包括邏輯函數的表示形式及其轉換、邏輯函數的公式法化簡和卡諾圖化簡等。門電路主要介紹基于CMOS和TTL兩種類型基本門電路、特殊門電路（如三態門、OC門和OD門）等的構成及其輸入輸出特性。由于兩個章節的內容分開講授，除了基本邏輯運算之外，兩個章節沒有較強的關聯。尤其是當講授完邏輯函數及其化簡進入門電路章節的學習之后，許多學生感覺又回到了模擬電路時代。眾所周知，模擬電路課程在大學期間往往是比較難的課程之一，由于大家的這種感覺往往會加深學生對“數字電路”課程的畏懼感，從而導致部分學生的學習興趣銳減。為此，將邏輯的基本表示方式及其轉換與門電路聯系起來可以有效改善這種局面，從而讓學生明確同一邏輯在進行表示和電路實現的時候，表示形式和實現電路均不唯一，并進一步充分發揮學生的主觀能動性，讓學生采用各種不同的門電路對同一邏輯函數進行實現。

專題二為組合邏輯電路及其應用。很顯然，邏輯函數的化簡就是為了在后續組合邏輯電路和時序邏輯電路設計時得到最簡電路做準備的。因此，為了將組合邏輯電路的分析和設計與邏輯函數的化簡結合起來，在這個章節中講授邏輯函數的化簡。然后統一介紹常用中規模組合邏輯電路及其應用。因為譯碼器、加法器以及數據選擇器、比較器等電路都是非常成熟的電路，在原理上講解太多只會讓學生覺得枯燥無味，因此需更注重電路的使用和應用。

專題三為時序邏輯電路及其應用，是“數字電路”課程的難點和重點。常規“數字電路”教學中，各種類型的觸發器及其工作原理花了較多時間。實際上，在教學的過程中將時序邏輯電路的分析與觸發器及其工作原理聯系起來講授，一方面可以讓學生在具體電路中進一步了解觸發器的作用和工作原理，另一方面更能讓學生深刻理解現態和次態的概念，從而為時序邏輯電路的設計奠定理論基礎。寄存器和計數器的原理相對簡單，但是基于寄存器和計數器的應用電路設計非常靈活，為了充分啟發學生的電路設計思維，需要注重各種設計方法的應用。

專題四位脈沖的產生及其應用。其實在模擬電路中就已經學過方波電路的產生方法，因此主要是讓學生了解模擬和數字脈沖信號的區別，并基于此了解常用數字脈沖的產生方法和實用電路，如基于555芯片構成的施密特、單穩態和多諧振蕩器等電路。

專題五為存儲器及其擴展。在“數字電路”課本中，有許多關于常用存儲介質及其原理的介紹，這些內容完全可以讓學生在課下或課后根據自己的興趣去了解。尤其是電類及相關專業的學生，他們在其他課程中往往都會學習到關于存儲器及其原理的宏觀或者微觀理論。因此，作為“數字電路”而言，重要的是讓學生充分認識存儲器在數字系統中的重要性，尤其是存儲器容量的確定和擴展。

專題六為A/D和D/A原理及其應用。首先A/D和D/A原理非常重要，它是數字系統和模擬系統的關鍵接口。因此，在學生了解A/D和D/A基本原理的基礎上，需要進一步研究現有常用A/D和D/A轉換方法和應用場合。

綜上所述，本文的宗旨就是為了構建基于復雜數字系統單元電路的專題式教學體系，因此，在學生了解并會使用數字系統中的單元電路之后，分析和設計綜合復雜的數字系統將是進一步提升學生綜合能力的必要環節。基于此，專題七即綜合復雜數字邏輯系統將會是學生學習從量變到質變的關鍵，并為學生電子電路綜合設計等后續課程打下良好的理論和實踐基礎。

二、專題式教學體系下課程教學設計

傳統教學主要以老師講為主，學生的自我學習為輔的教學方法。然而，專題式教學是以學生的學習為主，老師的講解、老師和學生的討論為輔的教學理念。為此，為了體現專題式教學的先進性，就必需構建基于專題式教學的教學設計。如圖2所示為“數字電路”課程專題式教學課程教學設計方案。圖2所示教學設計以學生的學習為主線，在課內和課外學習過程中，以學生的自我學習為主，以老師的講授為輔，并著重理論與實踐的結合。

首先，講授與自學結合。眾所周知，在傳統的灌輸式教學過程中，老師一直是學生學習主宰，一種特別固定的模式就是老師的通篇講授和學生課后做作業相結合的模式。顯然，在這種傳統教學模式中，學生完全處于被動狀態。這種模式往往導致學生的學習興趣低下、學習積極性差，并固化了學生的學習思維。專題式教學要求老師只是課程學習的領路人，在課堂教學中，老師只需要闡述基本概念、基本理論和專題的重點和難點，讓學生在課堂自學和課后自學過程中有的放矢。

圖2　課程教學設計

其次，理論與仿真結合。“數字電路”課程的重要特征是該課程的基礎性。基礎性體現在它涵蓋的內容都是數字邏輯系統中最基本的單元電路，所有的電路元件及模型都能在常用電路仿真軟件中找到，使得“數字電路”的設計和仿真很容易開展。

再次，理論與設計性實驗相結合。“數字電路”課程的另一個重要特征是其實踐性強，在課程教學中必需采用理論與實驗結合的教學方法。它的實踐性體現在“數字電路”課程中所講授的基本電路就是常用中規模集成電路，它們在常用數字邏輯系統設計中已經得到了廣泛應用。因此，基于這些常用“數字電路”的應用電路設計及其實驗不僅可以提高學生的動手能力，而且可以充分發揮學生的主觀能動性、開拓創新思維。

最后，師生討論與網絡互動結合。學生在接觸新的知識過程中不可避免存在對知識索取的盲目性，從而導致對知識的理解和應用抓不住關鍵。基于此，老師作可以在課堂討論和課后討論中起到至關重要的領路人的作用，需要讓學生的學習目標明確、抓住知識的重點和難點，并建立知識間的內在聯系。同時，隨著現代通信技術和互聯網技術快速發展，老師和學生的交流渠道和交流形式更加靈活和有效。“數字電路”課程專題教學過程中存在許多電路設計和仿真分析，師生交流不僅需要語言文字交流，還需要圖形界面交流。因此，利用互聯網進行圖文并茂的交流方式可以大大提高交流的效率。

總之，專題式教學雖然可以徹底改變傳統教學方式的種種弊端，但是只有通過明確的課堂設計，才能明確課堂組織方法，并最終提高專題式教學的效果和效率。

三、結論及展望

“數字電路”課程是電子類及相關專業的核心基礎課程之一，該門課程對學生電子類知識結構的構建和后續課程的學習均具有重要的理論和實踐意義。傳統的灌輸式教學嚴重影響了學生的積極性和主動性，本文構建的專題式“數字電路”課程教學以學生的自主學習為主線，并建立了針對“數字電路”課程的專題式教學教學組織形式，從而充分發揮了學生在學習過程的主觀能動性和創新思維，提高了學習的效率和效果。專題式“數字電路”課程教學設計在構建的過程中始終以學生自主學習為主，以教師的輔導和討論為輔，因此，怎樣科學合理地評價學生的學習也是需要進行進一步深入研究的問題。

參考文獻

［1］凌小萍.馬克思主義基本原理概論課專題式教學的嘗試［J］.教育探索，2012，249（3）：129-130.

［2］袁宏.論高校通識課程的專題式教學［J］.當代教育科學，2014，15 ：22-27.

［3］蘇紅.“激光原理”課程的專題研究性教學方案探討［J］.電氣電子教學學報，2011，33（3）：34-35.

［4］吳明贊.“工程電磁場”課程的專題研究性教學模式［J］.電氣電子教學學報，2011，33（3）：8-11.

Abstract:The Digital Circuit is a basic core course of electronics and other related majors，which plays pivot roles among curriculum system. Students are more motivated and initiative taught by means of practical mode than by traditional theoretic mode. Therefore，a new thematic teaching system for the Digital Circuit is constructed in this paper with purpose of improving the activeness and innovation of the students，and in turn the learning effectiveness and teaching caliber will be promoted systematically.

Keywords:Digital Circuit；thematic mode；teaching system

中圖分類號：G642

文獻標志碼：A

文章編號：2096-000X（2016）11-0076-03

*基金項目：2015年湖北大學教改項目（面向電子科學與技術產業計劃專業構建基于過程監控與評價的專題式數字電路課程教學體系研究）資助

作者簡介：沈諒平（1976-），男，博士，副教授，從事電子基礎理論教學、新型納米電介質和電力設備在線監測研究工作。